仙人洞水庫壩基質(zhì)量單孔聲波測試分析

何幫靜

(遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 563000)

1 概 述

工程巖體的完整性及工程特性研究，對于水利水電工程建基面選擇、地基處理及工程材料合理利用均具有重要意義[1]。水庫壩基在開挖過程中，開挖擾動、巖體結(jié)構(gòu)變動勢必會引起巖體開挖面的力學特性改變，相應應力會出現(xiàn)重新分配和釋放。以往中小型水庫地質(zhì)勘察主要采用局部鉆探和人工探井等定性方法進行分析，而忽視巖體爆破開挖、施工擾動等引起的地質(zhì)構(gòu)造、物理力學特性改變等對巖體的影響。為獲得準確反映被測巖體介質(zhì)結(jié)構(gòu)和致密完整性，以滿足工程設(shè)計、現(xiàn)場施工需要的詳實數(shù)據(jù)，定量分析評價巖體質(zhì)量尤為重要。聲波探測通過測定被測巖體中聲波的傳播速度、振幅、頻率等聲學指標及變化規(guī)律[2-3]，可對地基巖體風化界線和巖溶發(fā)育范圍進行準確定量評估，及時反饋檢測數(shù)據(jù)以指導工程設(shè)計優(yōu)化和施工調(diào)整，確保工程安全可靠、高效優(yōu)質(zhì)地施工建設(shè)。

2 仙人洞水庫概況

2.1 工程概況

仙人洞水庫位于黔西縣紅林鄉(xiāng)東部大洞口村北側(cè)苦李沖，距黔西縣城36km。水庫為煙區(qū)灌溉和鄉(xiāng)村供水的綜合利用工程，由水源工程、輸水工程等組成。水庫正常蓄水位為1484.00m，相應庫容為87.7萬m3，校核洪水位1485.75m，總庫容為108萬m3，最大壩高28.6m。水庫主要樞紐建筑物包括混凝土面板堆石壩、溢洪道、取水建筑物等，仙人洞水庫為小(1)型Ⅳ等工程。

2.2 地層巖性

出露地層有三疊系下統(tǒng)夜郎組第三段(T1y3)、永寧鎮(zhèn)組第一段(T1yn1)，以及第四系(Q)覆蓋層，從新至老分述如下：

a.第四系覆蓋層(O)?；疑?、黃灰色及褐色殘坡積黏土及沖洪積砂、黏土夾碎石等，厚度0～3.0m，其中殘坡積物主要分布在地勢平緩的坡地；沖洪積物主要分布在河床。密實程度為稍密—中密狀態(tài)，成分主要為泥巖、灰?guī)r沖洪積物，礫石強度較高，其中，漂石約占10%，卵石約占5%，礫石約占15%，粗細砂約占10%，黏土約占60%。

b.三疊系永寧鎮(zhèn)組第一段(T1yn1)?；疑≈林泻駥踊?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，厚285～317m，分布于壩址兩岸及下游。

c.三疊系夜郎組第三段(T1y3)。上部為紫紅色、灰綠色泥質(zhì)砂巖夾灰色泥晶灰?guī)r，下部為黃綠色粉砂巖、泥巖，厚260～300m，分布于河床。

3 壩基巖體聲波測試分析

3.1 測試原理

仙人洞水庫工程施工階段采用單孔聲波測試，即利用一發(fā)雙收換能器在同一鉆孔內(nèi)測試孔壁聲波的縱波波速、振幅、頻率等聲學參數(shù)，以查明鉆孔內(nèi)裂隙情況，并確定巖體的完整性，其測試框圖見圖1[4-5]。

圖1 聲波測試原理

將一發(fā)雙收換能器置于巖體鉆孔的中心，發(fā)射換能器T發(fā)射聲波，滿足入射角等于第一臨界角的聲線，在巖體孔壁的聲波折射角將等于90°，即聲波沿著鉆孔壁滑行，然后又分別折射回孔中，由接收換能器R1和R2分別接收(也可稱其為折射波法)，其函數(shù)表達為

Δt=t2-t1

(1)

式中t2——T傳播到R2的聲波傳播時間；

t1——T傳播到R1的聲波傳播時間；

vp——孔壁介質(zhì)的聲速。

由于巖性的不同，聲波傳播速度也不同，就是同一種巖性的巖體也會因其風化程度、完整狀態(tài)的不同而導致聲波傳播速度的不同[6]。因此，聲波縱波波速是判別巖體風化程度、完整性的重要參數(shù)之一。

3.2 縱波測試鉆孔布置

仙人洞水庫工程壩基根據(jù)巖土體分布情況，在6個區(qū)域共布置18個鉆孔，采用數(shù)字化處理系統(tǒng)獲取鉆孔孔壁各測試點的波速、振幅、頻率等聲學參數(shù)。壩基巖體縱波現(xiàn)場檢測鉆孔位置見圖2。

圖2 壩基巖體縱波檢測鉆孔布置平面

鉆孔內(nèi)聲波檢測采用RS-ST01C型非金屬聲波測試儀，設(shè)備安裝調(diào)試好后，采用一發(fā)雙收從孔口套管處自上而下按50cm間隔逐級向鉆孔深部測試，然后從孔底自下而上仍按50cm間隔向孔口進行數(shù)據(jù)復核，確保測試結(jié)果的完整性和準確率。

3.3 聲波檢測成果分析

根據(jù)《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL 55—2005)，巖體完整程度的劃分主要依據(jù)巖體完整性系數(shù)，其函數(shù)表達為

(2)

式中vp——巖體縱波速度，實測值，m/s；

vpr——未風化巖塊的縱波速度標準值，m/s。

現(xiàn)場取典型鉆孔鉆取的未風化巖塊，經(jīng)切磨、制樣后得泥巖巖塊9件。通過聲波測試分析，得到泥巖巖塊縱波波速值為vpr=4230m/s。巖體完整程度分級評價指標見表1。

表1 巖體完整程度分級評價指標

經(jīng)檢測，獲得6個區(qū)域18個鉆孔的聲波測試數(shù)據(jù)，見表2。

表2 鉆孔聲波測試分析成果

續(xù)表

限于篇幅，每個區(qū)域選擇1個典型鉆孔的聲波測試曲線進行分析，見圖3。

圖3 6個區(qū)域典型鉆孔聲波測試曲線

從表2和圖3可知，同類巖體波速值總體呈淺部波速值低、深部波速值高的趨勢，巖體完整性逐漸變好，未發(fā)現(xiàn)連續(xù)波速低值，局部異常為巖體裂隙發(fā)育。18個鉆孔中孔號1-1、1-3共2個鉆孔巖體較破碎；孔號1-2、2-2、2-3、6-1、6-2以及6-3共6個鉆孔巖體完整性差，其余10個鉆孔巖體較完整。1區(qū)、2區(qū)和6區(qū)基巖弱、微風化層巖溶較發(fā)育，巖體整體性較差，需采取帷幕灌漿等防滲措施進行處理。

4 結(jié) 論

鉆孔內(nèi)孔壁聲波檢測可在垂直方向準確反映基巖巖體的構(gòu)造、裂隙和巖溶情況，便于地勘人員準確判斷巖體的完整程度。仙人洞水庫施工階段，采用鉆孔單孔聲波檢測及時、準確地查明了鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育情況并判定了壩基巖體的完整性，為工程設(shè)計優(yōu)化和施工調(diào)整提供了重要依據(jù)。